洱海藻类植物演化过程及主导环境因子识别研究

作     者：杨瑞博 

作者单位：云南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨昆;赵磊

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：稳态转换 藻类植物群落演替 环境因子 功能群 叶绿素a 

摘      要：由于营养物质的富集,淡水资源的富营养化已经成为一个全球性的现象,藻类植物的大量繁殖为其中的突出标志。藻类植物作为水生环境的初级生产者,在水生生态系统中扮演着十分重要的角色。叶绿素a是湖泊中衡量藻类植物生物量的一个有价值且可行的指标,其与藻类植物的生长直接相关。已有研究表明,湖泊水环境对气候动态变化的响应可能会为叶绿素a含量的上升创造适宜的条件,并且会增加藻类水华发生的频率。然而,气候变化和营养物质浓度对浮游植物生长繁殖的单独或累积效应仍不确定。稳态转换可以引起物理和生物成分的变化,特别是浮游植物群落结构的变化,并使得湖泊生态系统跨越多个营养水平。湖泊生态系统稳态转换前后藻类群落结构及驱动其演替的环境因子可能发生明显的变化。然而,由于稳态转换发生的突然性,能够覆盖稳态转换前后的长时间序列观测数据非常缺乏,对人们理解稳态转换引起的湖泊藻类群落结构变化及驱动因子的识别造成了极大的困难。对于以上问题,本研究基于洱海30年(1988～2018年)的长时间序列环境监测数据进行分析(包含1997～2008年的浮游植物数据)。首先对环境监测数据的变化趋势进行分析,同时使用了一种参数化的数据驱动回归模型(GAM)对叶绿素a和环境因子之间的关系进行了研究。采用水化学指标突变分析及藻类群落生物多样性分析相结合的方式进一步验证洱海在2001年至2003年发生的稳态转换。结合藻类功能群和RDA(冗余分析)的方法对稳态转换前后驱动藻类植物群落演替的关键环境因子进行了识别。研究结果表明,在整个观测期气温整体上升了1.35℃,风速下降了30%。在20世纪初,TN和TP的含量呈明显的上升趋势。气候条件的动态变化以及营养盐的增加进一步促进了藻类植物的生长繁殖,这也可以从叶绿素a的变化趋势中体现出来。同时根据GAM(广义加权模型)分析结果显示,春季、夏季和冬季,叶绿素α与TN均呈现出显著的相关性(P0.001);TP仅在冬季与叶绿素α呈显著正相关(P0.05);平均温度(AT)在冬季与叶绿素α显著相关(P0.001)。在气候因素和营养物质的相互作用下,藻类植物大量繁殖,水华频发。稳态转换识别方面,水化学指标与藻类群落组成均指示洱海在2001年至2003年间发生了明显的稳态转换,10年间藻类群落向着群落结构简单化、个别物种优势化、群落间物种构成同质化的方向发展。稳态转换前(1997年至2000年)藻类群落具有高生物多样性和低生物量的特点,主要构成类型为蓝-硅-隐藻型,营养盐含量对藻类植物的限制性作用明显;稳态转换后(2005年至2008年)藻类群落呈现出低生物多样性和高生物量的特点,主要构成类型转变为蓝-绿-硅藻型,营养盐的限制性作用大大削弱,光照成为驱动藻类植物群落演替的关键因子。本文的研究提供了一个有力的证据,即在贫营养状态下,浮游植物群落的构成是由营养物质塑造的,但随着营养物质的增加,特别是一旦超过阈值,物种可能从营养物质的竞争转变为光的竞争。这意味着基于营养物质和光照的资源竞争模型/理论的方法,能够提供一种更好的方式来预测浮游植物群落的演替,同时改善水下光照环境的措施应被视为减少富营养化湖泊营养负荷的一种有效的选择。